市域鐵路礦山法隧道超淺埋段施工工法

0 引言

目前，由于隧道工程水文條件、地質(zhì)構造特點、地層巖性構成等地質(zhì)條件的不確定性、不可預見性，在既有工藝流程基本成型的情況下我國隧道工程施工過程中時有安全事故依然發(fā)生，尤其在遇到特殊地質(zhì)、地貌時，沒有可參照的施工經(jīng)驗，故擬通過對本工程淺埋段施工的研究形成本工法，以供同類工程借鑒。

由江蘇中車城市發(fā)展有限公司承建的臺州市域鐵路S1線一期工程羊頭山隧道S1DK1+915～S1DK1+975為淺埋段（總長60m），圍巖由強風化凝灰?guī)r構成，圍巖等級較低，原設計該段地表地貌為剝蝕低丘坳谷，表層覆蓋層為粉質(zhì)黏土夾碎石，梅雨季節(jié)地表水分部密集，因相鄰工程施工過程中將原地貌破壞，導致實際現(xiàn)場埋置深度不足3m。針對現(xiàn)場地質(zhì)及變化后地貌，確定施工方案，洞外通過注漿加固地表、加強沉降監(jiān)測，隧道內(nèi)采用三臺階臨時仰拱開挖施作工法、超前管棚支護、調(diào)整爆破參數(shù)等措施，解決了隧道埋深淺，易發(fā)生坍塌等問題，保證了淺埋段開挖的施工安全。該技術在羊頭山隧道施工中成功實踐并且得到檢驗，總結(jié)施工經(jīng)驗，形成本工法。

1 工程概況

臺州市域鐵路S1線一期工程羊頭山隧道位于中心停車場站至臺州中心站區(qū)間隧道，全長854m。起點里程為S1DK1+726，終點里程為S1DK2+580。為時速140km市域鐵路隧道。本隧道共計674m為單洞雙線帶中隔墻襯砌的大斷面隧道施工，其中195m為大跨徑變斷面隧道施工，180m為雙洞單線隧道施工。

2 難點分析

羊頭山隧道位于臺州市椒江區(qū)下北山村和建庫村附近，屬剝蝕丘陵區(qū)，自然丘坡15°-30°，地面起伏大，地表植被較發(fā)育。

本隧道工程具有斷面變化多、綜合性強、市政建構筑物多，征拆協(xié)調(diào)任務量大、文明施工、環(huán)保要求高、工期緊、單洞變雙洞施工組織要求高、與杭紹臺近距離同時施工步距及變形控制要求高等特點。

隧道在約DK1+915~DK1+975處屬于超淺埋段，原設計該段地表地貌為剝蝕低丘坳谷，表面覆蓋厚度3～5m的粉質(zhì)黏土夾碎石土層，雨季地表水十分豐富，因原地貌在相鄰工程施工的過程中被破壞，導致現(xiàn)場最小埋深實際僅有2.4m。圍巖級別為V級，以強風化凝灰?guī)r為主，自穩(wěn)能力很差，控制地表沉降、防止塌方和安全高效施工是本工程重難點。

3 工法特點及適用范圍

3.1 工法特點

考慮到羊頭山隧道開挖工程隧道淺埋、圍巖破碎并帶有夾層、地表水含量較多的特點，在洞內(nèi)進行開挖時選擇了三臺階臨時仰拱開挖方法，既極大地提高了開挖進尺的安全系數(shù)，同時配合隧道中超前管棚支護結(jié)構及超前預注漿等開挖施工方式輔助開挖，提升了開挖的效率，真正做到安全開挖，高效開挖，極大降低了山嶺隧道淺埋段開挖安全問題，將隧道冒頂、坍塌等事故發(fā)生的概率大大降低。

3.2 適用范圍

本工法適用于市政工程采用礦山法施工的山嶺隧道超淺埋段洞內(nèi)外開挖支護作業(yè)。

4 工藝原理

堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則進行洞內(nèi)施工，超前支護采用Φ89長管棚10m每循環(huán)，通過提高支護材料剛度來加強支護效果，配合管棚注漿，增強掌子面前方巖體自穩(wěn)能力，減小拱頂冒頂塌方發(fā)生的概率。采用三臺階臨時仰拱的方法進行開挖，極大程度減輕了開挖對圍巖的擾動，并在開挖過程中使用了臨時仰拱支護結(jié)構，使整個支護體系互相作用，更加穩(wěn)定。

5 施工操作要點

施工操作要點主要包括地表測量、地表預注漿、超前管棚制作、鉆孔及清洗、頂管、注漿、三臺階臨時仰拱法開挖。主要工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

5.1 地表測量

測量人員通過實際量測測得隧道淺埋地段最小埋深2.4m，且隧道施工時正值當?shù)赜昙?，地表土層松動且含水量大，土層容易受開挖擾動，穩(wěn)定性較差，開挖前應進行地表加固，加固方式選用地表注漿，加固范圍以隧道埋深極小值向隧道方向大小里程各外擴12m，由線路軸線橫向向兩側(cè)對隧道斷面寬度略寬范圍對地表進行加固處理。

5.2 地表預注漿

按特定設計分布形狀在地表預設加固注漿點位，間距1m，采用打孔鋼薄壁注漿管進行注漿，直徑42mm，注漿材料采用水泥漿液，配比1:1，注漿壓力為0.8MPa。完成地表注漿后，為防止地表水滲透，在注漿范圍內(nèi)先進行EVA防水板鋪設然后進行混凝土澆筑封閉，加固采用強度等級為C25混凝土，澆筑厚度15cm。

5.3 超前管棚制作

①洞內(nèi)超前管棚：采用熱軋無縫鋼管，外徑90mm、壁厚6mm，鋼管端頭外側(cè)需預加工絲扣，長度150mm。

②連接鋼管：使用無縫鋼管進行連接，管長350mm，外徑98mm，管內(nèi)通長內(nèi)車絲扣，每一斷面內(nèi)接頭率不大于50%。

③鉆注漿孔：在鋼花管上面按梅花形鉆注漿孔，直徑12～18mm，間距150mm，在端部預留止?jié){無孔段封閉段設置，長度160mm。

④管棚按照12m一個循環(huán)進行制作，每次循環(huán)管棚搭接長度控制在3m以上，按偶數(shù)孔與奇數(shù)孔的排列次序分別采用無縫鋼管及帶孔鋼花管制作。

5.4 鉆孔及清理

①隧道內(nèi)開挖準備：先進行超前管棚施工，然后按照圖紙進行放樣并編號。

圖2 洞身段長管棚打設縱向布置圖

②鉆孔：完成放樣后使用特定鉆孔設備進行鉆孔作業(yè)，對孔內(nèi)殘渣進行清掃主要用高壓風機；成孔孔徑應略大于鋼管外徑，約擴孔4～6mm，超前管棚鉆孔數(shù)量為50，環(huán)向管距38cm，鉆孔設傾角，外傾角度不超過13°，可根據(jù)實際情況略作調(diào)整。

③管棚施工誤差允許值：徑向誤差不大于22cm，相鄰鋼管之間環(huán)向誤差不大于12cm。

圖3 洞身段長管棚正面布置圖

管棚采用的鋼管的種類、規(guī)格和長度應符合設計要求。管棚每循環(huán)施工位置、搭接長度和數(shù)量應符合設計要求。兩段鋼管的接頭部位預設絲扣，通過絲扣擰緊連接，同一斷面內(nèi)的鋼管街頭數(shù)量占比不得大于50%，且相鄰鋼管接頭部位不得重疊，應錯開至少1m以上。

5.5 頂管

①孔內(nèi)殘渣雜物完成清理后，使用錘或鉆機將鋼管頂入，應將鋼管的至少95%長度頂入孔內(nèi)，并用高壓風管設備對鋼管內(nèi)殘渣進行吹掃。

②管棚安設后，為防止工作面的坍塌，采用錨固劑對孔口及周圍裂隙進行封堵，如錨固劑不能滿足需求，還可在管棚附近及工作面進行混凝土噴射，安裝止?jié){閥保證止?jié){閥通暢。

5.6 注漿

①采用水灰比為1∶1（重量比）的普通硅酸鹽水泥漿液進行洞內(nèi)超前管棚注漿。②注漿壓力值預設1.0MPa，可據(jù)實調(diào)整。③標識出孔位的奇偶數(shù)，對偶數(shù)、奇數(shù)孔位分別采用無縫鋼管、帶孔鋼花管，施工時依次打設鋼花管、注漿、打設無縫鋼管，打設無縫鋼管后對鋼花管注漿質(zhì)量進行檢查。④完成壓水試驗、機械設備檢查、管路連接檢查后方可注漿。⑤使用拌合桶配制水泥漿液，配置過程中避免雜物混入，完成配置后進行過濾后使用。⑥水泥漿液應隨配隨用，已配制完成的水泥漿液要盡快使用。⑦按先下后上的順序進行注漿，控制注漿量由大到小，注漿壓力由小到大。⑧終止注漿標準按注漿量、注漿壓力控制，其中1項指標滿足要求即可停止注漿。⑨實時監(jiān)測注漿壓力及泵排量，做好記錄，對注漿情況進行分析，預防管路堵塞、跑漿、漏漿的發(fā)生。⑩注漿過程中發(fā)生串漿，可選擇分漿器多孔注漿或堵塞串漿孔隔孔注漿；發(fā)生注漿壓力突然升高現(xiàn)象應立刻停機，進行原因分析，查明原因后方可重新開始注漿；當進漿水泥漿量大、注漿壓力維持穩(wěn)定時，應對漿液濃度及配合比進行調(diào)整，減少凝膠時間，并選擇間斷停歇式注漿或低流量小壓力注漿方式。

5.7 洞內(nèi)三臺階臨時仰拱法開挖

根據(jù)設計地勘圖紙及超前地質(zhì)預報成果，淺埋段范圍圍巖評定為Ⅴ級且圍巖破碎不完整，為粉質(zhì)黏土夾碎石，并考慮施工時正值當?shù)赜昙?，現(xiàn)場經(jīng)過綜合分析研究，開挖方式采用三臺階臨時仰拱，可有效保證施工安全?；臼┕げ襟E如下：

①開挖一步臺階，施作一步洞身結(jié)構的初支結(jié)構，初噴5cm厚混凝土，施作洞身錨桿構件，綁扎初支鋼筋網(wǎng)，施作鋼架結(jié)構，施工鎖腳錨管后復噴至設計厚度24cm（根據(jù)隧道施工監(jiān)測變形情況確定是否設置臨時鋼架）。②開挖二步臺階，開挖時左右側(cè)斷面錯開2～3m，每側(cè)開挖后，接長鋼架，施作洞身結(jié)構的初支及成環(huán)鋼架和及時噴射混凝土。③開挖三步臺階，開挖時左右側(cè)斷面錯開2～3m，每循環(huán)開挖完成后及時對初期支護封閉。仰拱底部初期支護每施作12m后，鋪設防水板，綁扎鋼筋，安裝模板及止水帶，澆筑該段仰拱和仰拱填充。④循環(huán)中上臺階（一步臺階）每次開挖支護尺寸應不大于1榀鋼架間距，中臺階（二步臺階）應不大于2榀鋼架間距，下部開挖（三步臺階）臺階控制在2m，并盡快施作并封閉成環(huán)，封閉位置距離掌子面不大于35m。

圖4 三臺階臨時仰拱法工序橫斷面示意圖

圖5 三臺階臨時仰拱法工序縱斷面示意圖

6 安全措施

①完成對作業(yè)臺架安全的檢驗，保證在施工過程中作業(yè)臺架穩(wěn)定、牢固。②施工前檢查注漿機、鉆孔設備、配套設施、各種管路等施工機具的安全完好性，采取措施確保鉆機在施工過程中處于穩(wěn)固狀態(tài)，同時確保注漿管接頭及高壓風管連接可靠。③對開挖工作面附近已施工初期支護表面的檢查要指定專人負責，發(fā)現(xiàn)裂縫，分析原因并采取相應措施，加強洞內(nèi)拱頂沉降、凈空收斂及地表沉降觀測。④管棚鉆孔過程中，要對各項鉆進數(shù)據(jù)進行記錄，對排渣及出水情況進行觀察，出現(xiàn)異常及時報告并采取措施處理。⑤作業(yè)平臺臨時存放管棚和鋼架，應保證存放的數(shù)量及高度不超過規(guī)定數(shù)值，并采取安全措施防塌落。在洞內(nèi)空地進行存放時，除采取安全措施防塌落外，還需將安全警示標識放在顯眼處。⑥非施工人員不得進入作業(yè)區(qū)域，并在噴射混凝土設備開機前確認噴射作業(yè)范圍內(nèi)無人員活動。⑦混凝土噴射過程中要實時觀察，防止輸料管與接頭的破損或松動。⑧完成每榀鋼架的安裝后，要及時安裝下部錨桿用于鎖腳，并且連接牢靠，拱架底部不得懸空或置于渣土上。

7 結(jié)束語

臺州市域鐵路S1線一期工程羊頭山隧道已完成隧道貫通，此工法對比傳統(tǒng)隧道施工方法，通過加強圍巖整體穩(wěn)定性，在面對超淺埋隧道施工時，增加了安全度，避免了隧道因坍塌冒頂?shù)仁鹿蕦е碌娜藛T、成本的損失，同時提高了隧道掘進的速度。淺埋段總長60m，整體開挖及初期支護完成用時65天。本工法的應用，較傳統(tǒng)施工方法節(jié)省25天，使施工工期有效縮減，并使施工風險得到降低，提高了施工質(zhì)量。